k次方求和递推

已知S(n,k)=ni=1ik,其中k,nN

(1)求S(n,1)S(n,2)S(n,3)

(2)给出S(n,k)关于k的一个递推公式.


分析与解 (1) 根据等差数列的求和公式,有S(n,1)=12n(n+1)=12n2+12n.由和立方公式,有(i+1)3=i3+3i2+3i+1,于是ni=1(i+1)3=ni=1i3+3S(n,2)+3S(n,1)+n,(n+1)3n1=3S(n,2)+3S(n,1),整理可得S(n,2)=13n3+12n2+16n.类似的,由(i+1)4=i4+4i3+6i2+4i+1,可得S(n,3)=14n4+12n3+14n2.

(2) 由二项式定理,有(i+1)k+1=ik+1+Ckk+1ik+Ck1k+1ik1++C1k+1i+1,于是ni=1(i+1)k+1=ni=1ik+1+Ckk+1S(n,k)+Ck1k+1S(n,k1)++C1k+1S(n,1)+n,整理可得S(n,k)=(n+1)k+1n1Ck1k+1S(n,k1)Ck2k+1S(n,k2)C1k+1S(n,1)k+1.

事实上,有S(n,k)=1k+1k+1i=1Cik+1Bk+1ini,其中zez1=+n=0Bnznn!.中间用到的Bn被称为伯努利数(Bernoulli number).

观察下列等式:
ni=1i=12n2+12n,ni=1i2=13n3+12n2+16n,ni=1i3=14n4+12n3+14n2,ni=1i4=15n5+12n4+13n3130n,ni=1i5=16n6+12n5+512n4112n2,ni=1i6=17n7+12n6+12n516n3+142n,ni=1ik=ak+1nk+1+aknk+ak1nk1+ak2nk2++a1n+a0,可以推测,当k2 (kN)时,ak+1=1k+1ak=12
ak1=______,ak2=______.

这道填空题考查合情推理.观察出答案很容易:ak1=k12ak2=0.下面用数学归纳法给出证明.

为表述方便,设
Sk(n)=ni=1ik=a(k)k+1nk+1+a(k)knk+a(k)k1nk1+a(k)k2nk2++a(k)1n+a(k)0,
我们现在要证明对任意k2 (kN),都有{a(k)k+1=1k+1,a(k)k=12,a(k)k1=k12,a(k)k2=0.

由题意,当k=2,3,4时,欲证等式均成立.

假设欲证等式对k=m1,m,m+1均成立,则有
Sm+1(n)=1m+2nm+2+12nm+1+m+112nm++a(m+1)0,Sm(n)=1m+1nm+1+12nm++a(m)0,Sm1(n)=1mnm++a(m1)0,
因此k=m+2时,由递推公式可知
a(m+2)m+3=1m+3,a(m+2)m+2=1m+3(C1m+3C2m+3m+2)=12,a(m+2)m+1=1m+3(C2m+3C2m+32C3m+3m+1)=m+212,a(m+2)m+1=1m+3(C3m+3(m+1)C2m+312C3m+32C4m+3m)=0,
k=m+2时,欲证等式也成立.

综上所述,欲证等式对任意k2 (kN)都成立.

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